본 논문에서는 MEMS(Micro Electro Mechanical System) 가속도센서를 위한 CMOS readout 회로를 설계하였다. 설계된 CMOS readout 회로는 MEMS 가속도 센서, 커패시턴스-전압 변환기(CVC), 그리고 2차 스위치드 커패시터${\Sigma}{\Delta}$변조기로 구성된다. 이들 회로에는 저주파 잡음과 오프셋을 감소시키기 위한 correlated-double-sampling(CDS)와 chopper-stabilization(CHS) 기법이 적용되었다. 설계 결과 CVC는 150mV/g의 민감도와 0.15%의 비선형성을 갖는다. 설계된 ${\Sigma}{\Delta}$ 변조기는 입력전압 진폭이 100mV가 증가할 때, 출력의 듀티 싸이클은 10%씩 증가하며, 0.45%의 비선형성을 갖는다. 전체 회로의 민감도는 150mV/g이며, 전력소모는 5.6mW이다. 제안된 회로는 CMOS 0.35um 공정을 이용하여 설계하였고, 공급 전압은 3.3V이며, 동작 주파수는 2MHz이다. 설계된 칩의 크기는 PAD를 포함하여 $0.96mm{\times}0.85mm$이다.
본 논문에서는 MEMS(Micro Electro Mechanical System) 가속도센서를 위한 CMOS readout 회로를 설계하였다. 설계된 CMOS readout 회로는 MEMS 가속도 센서, 커패시턴스-전압 변환기(CVC), 그리고 2차 스위치드 커패시터 ${\Sigma}{\Delta}$ 변조기로 구성된다. 이들 회로에는 저주파 잡음과 오프셋을 감소시키기 위한 correlated-double-sampling(CDS)와 chopper-stabilization(CHS) 기법이 적용되었다. 설계 결과 CVC는 150mV/g의 민감도와 0.15%의 비선형성을 갖는다. 설계된 ${\Sigma}{\Delta}$ 변조기는 입력전압 진폭이 100mV가 증가할 때, 출력의 듀티 싸이클은 10%씩 증가하며, 0.45%의 비선형성을 갖는다. 전체 회로의 민감도는 150mV/g이며, 전력소모는 5.6mW이다. 제안된 회로는 CMOS 0.35um 공정을 이용하여 설계하였고, 공급 전압은 3.3V이며, 동작 주파수는 2MHz이다. 설계된 칩의 크기는 PAD를 포함하여 $0.96mm{\times}0.85mm$이다.
This paper presents a CMOS readout circuit for MEMS(Micro Electro Mechanical System) acceleration sensors. It consists of a MEMS accelerometer, a capacitance to voltage converter(CVC) and a second-order switched-capacitor ${\Sigma}{\Delta}$ modulator. Correlated-double-sampling(CDS) and c...
This paper presents a CMOS readout circuit for MEMS(Micro Electro Mechanical System) acceleration sensors. It consists of a MEMS accelerometer, a capacitance to voltage converter(CVC) and a second-order switched-capacitor ${\Sigma}{\Delta}$ modulator. Correlated-double-sampling(CDS) and chopper-stabilization(CHS) techniques are used in the CVC and ${\Sigma}{\Delta}$ modulator to reduce the low-frequency noise and DC offset. The sensitivity of the designed CVC is 150mV/g and its non-linearity is 0.15%. The duty cycle of the designed ${\Sigma}{\Delta}$ modulator output increases about 10% when the input voltage amplitude increases by 100mV, and the modulator's non-linearity is 0.45%. The total sensitivity is 150mV/g and the power consumption is 5.6mW. The proposed circuit is designed in a 0.35um CMOS process with a supply voltage of 3.3V and a operating frequency of 2MHz. The size of the designed chip including PADs is $0.96mm{\times}0.85mm$.
This paper presents a CMOS readout circuit for MEMS(Micro Electro Mechanical System) acceleration sensors. It consists of a MEMS accelerometer, a capacitance to voltage converter(CVC) and a second-order switched-capacitor ${\Sigma}{\Delta}$ modulator. Correlated-double-sampling(CDS) and chopper-stabilization(CHS) techniques are used in the CVC and ${\Sigma}{\Delta}$ modulator to reduce the low-frequency noise and DC offset. The sensitivity of the designed CVC is 150mV/g and its non-linearity is 0.15%. The duty cycle of the designed ${\Sigma}{\Delta}$ modulator output increases about 10% when the input voltage amplitude increases by 100mV, and the modulator's non-linearity is 0.45%. The total sensitivity is 150mV/g and the power consumption is 5.6mW. The proposed circuit is designed in a 0.35um CMOS process with a supply voltage of 3.3V and a operating frequency of 2MHz. The size of the designed chip including PADs is $0.96mm{\times}0.85mm$.
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문제 정의
기존에 발표된 CMOS readout 회로들과 본 논문에서 설계된 회로의 성능을 표 3에 비교하였다. 본 논문에서 설계된 회로는 동작 주파수 대비 적은 전력을 소모하는 것을 확인할 수 있다.
본 논문에서는 MEMS 가속도센서를 위한 CMOS readout 회로를 제안한다. CSH와 CDS 기법을 이용하여 저주파 노이즈와 DC 오프셋을 최소화 하였고, 시스템을 개방 루프 형태로 구성함으로써 회로를 간단히 구현하여 전력소모 및 면적을 최소화하였다.
본 논문에서는 MEMS 공정으로 제작된 용량성 가속도센서를 이용하여 ROIC를 설계하였다. 용량성 가속도센서는 가해지는 가속도의 크기와 방향에 따라 감지 커패시터의 커패시턴스가 변화하는 센서이다.
제안 방법
본 논문에서는 MEMS 가속도센서를 위한 CMOS readout 회로를 제안한다. CSH와 CDS 기법을 이용하여 저주파 노이즈와 DC 오프셋을 최소화 하였고, 시스템을 개방 루프 형태로 구성함으로써 회로를 간단히 구현하여 전력소모 및 면적을 최소화하였다. 제안된 회로는 0.
노이즈 쉐이핑 (shaping)과 안정도 문제를 해결하기 위해 2차로 설계하였고, Chopper –Stabilization(CHS)를 이용하여 스위치의 온(on) 저항과 기준전압 발생기 등에서 발생되는 플리커 노이즈를 제거하였다.
이를 해결하기 위해 class-AB 출력단을 추가하여 큰 커패시터 부하를 빠르게 충전/방전 할 수 있도록 하였다. 또한 출력 전압을 VCM(1.65V)으로 유지하기 위해 저항과 커패시터를 통해 출력 전압을 감지하여 출력의 공통 모드 전압을 유지하는 공통 모드 피드백 회로(CMFB)를 이용하였다. 모의실험 결과 94.
그림 7은 ∑Δ 변조기에서 사용된 증폭기 OTA의 회로로써 완전 차동 폴디드 캐스코드 증폭기 구조에 pMOS 입력단을 통해 플리커 노이즈를 감소시켰다. 마찬가지로 공동 모드 피드백(CMFB)회로를 사용하였고 빠르고 선형적인 동작과 적은 전력 소모를 하도록 스위치드 커패시터 구조를 이용하였다.
CVC OTA 출력에는 CVC의 출력 전압을 샘플링과 홀드하기 위한 스위치와 큰 커패시터가 연결되고 이로 인해 RC 시정수 커져 샘플링 커패시터의 rising/falling 시간이 커지게 된다. 이를 해결하기 위해 class-AB 출력단을 추가하여 큰 커패시터 부하를 빠르게 충전/방전 할 수 있도록 하였다. 또한 출력 전압을 VCM(1.
그림 1은 본 논문에서 제안하는 MEMS 가속도센서를 위한 readout 회로(ROIC)의 블록도이다. 전체 시스템을 개방 루프 형식으로 전체적인 구성을 간단히 함으로써 전력소모와 면적을 줄였다. 전체 시스템은 용량형 가속도센서, 커패시턴스-전압 변환기, 그리고 ∑Δ 변조기로 구성된다.
대상 데이터
본 논문에서는 MEMS 가속도센서를 위한 CMOS readout 회로를 0.35um CMOS 공정을 이용하여 설계하였다. 잡음을 최소화하기 위하여, correlated-double–sampling과 chopper-stabilization 기법을 이용하여 설계하였다.
설계된 MEMS 가속도센서를 위한 CMOS readout 회로는 0.35um CMOS 공정으로 제작 되었다. 그림 12는 설계된 회로의 제작된 칩 사진이며, 면적은 패드를 포함하여 0.
설계된 MEMS 가속도센서를 위한 CMOS readout 회로는 2MHz의 동작 주파수에서 동작하고 참고문헌[7]의 가속도센서를 참고하여 초기 커패시턴스는 1.6pF이고 민감도는 100fF/g인 가속도센서를 모델링 하여 모의실험 하였다.
전체 시스템은 용량형 가속도센서, 커패시턴스-전압 변환기, 그리고 ∑Δ 변조기로 구성된다.
CSH와 CDS 기법을 이용하여 저주파 노이즈와 DC 오프셋을 최소화 하였고, 시스템을 개방 루프 형태로 구성함으로써 회로를 간단히 구현하여 전력소모 및 면적을 최소화하였다. 제안된 회로는 0.35㎛ CMOS 공정을 이용하여 설계하였다.
데이터처리
기존에 발표된 CMOS readout 회로들과 본 논문에서 설계된 회로의 성능을 표 3에 비교하였다. 본 논문에서 설계된 회로는 동작 주파수 대비 적은 전력을 소모하는 것을 확인할 수 있다.
이론/모형
CVC는 차동 입출력 스위치드 캐패시터(switched capacitor) 전하 증폭기로 구성되어 있다[8]. 공통모드 노이즈를 제거하기 위해 차동 증폭기를 이용하였으며, 플리커(flicker) 노이즈, DC 오프셋, 채널 전하 주입 현상(channel charge injection effect)등을 없애기 위해 Correlated-Doubler-Sampling(CDC) 기법을 추가하였다.
본 논문에서는 참고문헌 [7]의 용량형 가속도센서를 이용한다. 참고문헌 [7]의 가속도센서는 SOI 공정에서 11.
잡음을 최소화하기 위하여, correlated-double–sampling과 chopper-stabilization 기법을 이용하여 설계하였다.
성능/효과
표 2는 입력 신호의 진폭 변화에 따른 ∑Δ 변조기 출력의 듀티 싸이클을 정리한 것이다. 그 결과 입력 진폭이 100mV 변할 때, 대략 10%의 듀티 싸이클이 변화하며, 따라서 1mV/mV의 민감도를 갖는다. 선형성에 대한 오차는 0.
4MHz이다. 또한 3.3V의 공급전압일 때 전류소모는 20uA 이하로 저 전류 소모로 설계되었음을 확인하였다.
모의실험 결과 94.3dB의 이득과 47.5MHz의 단위 이득 주파수(unity gain frequency) 그리고 80°의 위상 여유(phase margin)을 가졌다.
모의실험 결과 가속도센서의 커패시턴스 변화량이 0fF일 때, 즉 정지 상태일 때 CVC의 출력전압은 0mV로 출력되었고 커패시턴스의 변화량이 ±30fF일 때는 ±90.4mV를 출력하였으며, ±50fF가 변할 때는 ±150.8mV의 전압을 출력하였다.
그림 10은 ±1g가 변화할 때 가속도에 따른 CVC의 출력변화를 정리한 그림이다. 모의실험 결과 설계된 CVC의 민감도(가속도에 따른 전압의 크기)는 150mV/g이고 비선형성은 최대 0.15%를 가졌다.
스위칭 클록에 의한 노이즈 영향을 줄이기 위해 이와 같은 구조를 사용하였다. 설계된 비교기를 모의실험 한 결과 민감도는 30mV이고 전류소모는 3.3V의 전원전압일 때 27uA의 전류를 소모하였다.
잡음을 최소화하기 위하여, correlated-double–sampling과 chopper-stabilization 기법을 이용하여 설계하였다. 제작된 칩을 측정한 결과 입력 진폭이 100mV 증가할 때 10%의 비율로 출력의 듀티 싸이클이 증가하였다. 설계된 회로의 전체 민감도는 150mV/g이며, 전력소모는 5.
그림 13은 정방향일 때 감지 커패시터의 커패시턴스가 0fF, 30fF, 70fF 그리고 100fF 변할 때, 제작된 ROIC의 출력을 측정한 파형이다. 측정 결과 커패시턴스 변화가 0fF 일 때 49.5%의 듀티 싸이클을 출력하였고, 커패시턴스의 변화가 30fF 일 때에는 58.6%, 70fF는 68.2% 그리고 100fF은 77.7%의 듀티 싸이클을 출력하였다. 약간의 오차는 있지만 대략 입력 전압이 100mV 씩 증가할 때, 듀티 싸이클은 10% 증가하였다.
후속연구
6mW로 기존의 연구와 비교하였을 때 동작 주파수 대비 적은 전력을 소모한다. 설계된 회로는 MEMS 가속도센서와 함께 집적화가 가능하므로 휴대 기기 및 소형기기 등에 적용 가능하며, 저 전력으로 설계되었기 때문에 저전력 소모 특성이 요구되는 초소형 센서노드나 무선 센서노드에 적용이 유리할 것으로 기대된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
MEMS란?
MEMS(Micro-Electro-Mechanical System)는 마이크로미터 크기의 전자적, 기계적 요소들이 결합된 시스템으로 일반적인 반도체 제조기술을 기반으로 한 미세가공 기술을 이용하여 3차원 형태의 구조물들이 반도체 표면에 만들어져 감지, 동작, 조절 등의 다양한 기능을 하게 된다. 이러한 MEMS 공정은 소형화와 집적화 그리고 저 전력화가 가능하다는 장점이 있어 많은 응용분야에 이용되고 있다.
MEMS를 이용한 가속도센서은 어떻게 나눌 수 있는가?
MEMS를 이용한 가속도센서는 감지 및 측정방식에 따라 용량형[2-8], 압저항형[10-11] 그리고 서보형[12-13]으로 나눌 수 있다. 이 중 용량형 가속도센서는 CMOS 회로와 집적화가 가능하고 낮은 전력 소비, 온도 특성 그리고 DC 특성이 좋다는 장점이 있어 많이 연구되고 응용되고 있다.
MEMS를 이용한 가속도센서 중 용량형의 장점은?
MEMS를 이용한 가속도센서는 감지 및 측정방식에 따라 용량형[2-8], 압저항형[10-11] 그리고 서보형[12-13]으로 나눌 수 있다. 이 중 용량형 가속도센서는 CMOS 회로와 집적화가 가능하고 낮은 전력 소비, 온도 특성 그리고 DC 특성이 좋다는 장점이 있어 많이 연구되고 응용되고 있다. 그러나 용량형 센서의 경우 기생 커패시터의 영향이 크기 때문에 이에 대한 신호의 왜곡 및 제한을 보상할 수 있는 방법이 필요하다.
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